1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 精密仪器与装备研发中心,吉林 长春 130033
2 中国科学院大学,北京 100049
为了实现对微小物体的高精度三维测量,本文构建了一套基于结构光照明的三维形貌测量系统,对该系统所使用的相位编码算法、远心相机标定算法和投影仪标定算法进行了研究。首先,通过边缘提取算法获得二维平面标靶的特征点坐标,使用改进的张氏标定算法完成远心相机标定,通过相位编码结构光得到相机像素与投影仪像素之间的映射关系。然后,由映射关系使投影仪也能捕获特征点的位置信息,进而完成投影仪标定。最后,基于立体视觉模型对被测物体进行三维重建。实验结果表明,标定后的测量系统视场大于2 000 mm2,全视场的测量精度约为32 μm,中心视场的测量精度为10 μm。该系统具有良好的稳定性和重复性,能够满足大多数工业检测的应用需求,展示出广阔的应用前景。
结构光 三维测量 远心镜头 高精度 structured light three-dimensional measurement telecentric lens high precision
1 河北工业大学机械工程学院,天津 300401
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
3 西安交通大学机械工程学院,陕西 西安 710049
4 中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室,陕西 西安 710065
条纹投影轮廓术广泛应用于重建物体表面三维形貌。但当测量彩色高反光表面物体时,受环境光照及投影条纹反射的影响,存在相机所采集图像像素过饱和,进而无法测量高反光区域表面三维数据的难题。为解决此问题,本文利用物体表面对不同颜色光反射特性的差异,提出了一种根据被测彩色物体表面色彩分布的自适应编码高反光表面条纹投影轮廓术。该方法通过向高反光区域投射与表面颜色互为补色的颜色光,利用物体对互补色光的高吸收、低反射现象,抑制表面高光的形成,从而实现高反光彩色物体的三维形貌测量。实验结果表明,与多重曝光方法相比,利用单幅自适应颜色编码能够替代多次曝光时间设置下的条纹投影重建,有效降低了投影图像的数量,提高了测量效率。
三维测量 条纹投影 高反光物体表面 颜色编码
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春130033
为实现微小物体的全方位高精度三维测量,构建了一种利用结构光照明的高精度三维测量系统。对系统采用的双远心镜头、相位解算方法、多投影点云融合算法等进行研究。首先利用双远心测量头采集图像数据,然后采用多频相移与互补格雷码相移两种方法进行相位解算,并分析比较两种方法在重建精度和重建效率方面的性能,最后针对特定点云噪声提出相位滤波方法、优化的统计滤波方法以及多投影点云融合匹配校正方法。实验结果表明,系统应针对不同使用场景选用不同的相位解算方法;相较于单投影双目系统,基于多投影的本系统能获取目标全貌,且平面及高度测量精度均在10 m以下;在GPU加速后,测量速度提升218倍。该系统基本满足高精度工业测量的精度高、效率高等要求。
结构光 三维测量 远心镜头 高精度 structured light three-dimensional measurement telecentric lens high-precision
光切片结构光显微的三维测量速度一直是该技术应用方面的重要关注点。基于光切片的三维测量方法需要在同一个轴向位置进行至少两次曝光, 才能获得该位置的光切片信息。文章提出一种单次曝光的结构光显微三维测量方法, 在轴向扫描的每个位置只需拍摄一幅结构光显微图像, 相邻轴向位置的条纹存在一定的相移; 然后分析每个像素对应的轴向灰度曲线, 计算轴向调制度并定位峰值; 最后进行标定和换算, 便可得到样品的三维重建结果。实验证明, 所提方法可以得到与光切片方法相当的测量精度, 测量效率和图像处理效率都比光切片法有很大提升。
结构光显微 调制度分析 相移法 三维测量 structured illumination microscopy modulation analysis phase shifting method three-dimensional measurement
基于条纹投影的光学三维测量方法被广泛应用于医疗诊断、工业检测等各行各业中。计算莫尔轮廓术因具有高精度, 实时测量能力, 且对物体表面反射率不敏感等优点在条纹投影测量轮廓术中占有重要地位。近些年来, 许多基于计算莫尔轮廓术的衍生方法被提出, 它们不仅实现了测量精度、测量速度的进一步提高, 同时也在增强测量不同物体的适应能力。概述了计算莫尔轮廓术基本理论及其衍生方法, 并分析了它们的特点, 明确了计算莫尔轮廓术的发展动态。
三维测量 条纹投影 计算莫尔轮廓术 实时测量 高精度 3D measurement fringe projection computer-generated Moiré profilometry real time measurement high precision
1 东南大学自动化学院,江苏 南京 210096
2 东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室,江苏 南京 210096
针对人脸测量时的抖动现象,设计了一种循环反向编码方法。该方法无需专门投影反向二值条纹辅助边缘点定位,减少了投影图案的数量。用循环的三帧条纹图像代替原本利用正反两帧条纹图像定位的方式,提高边缘点检测精度的同时能够有效消除定位偏差。实验表明,所提方法能够有效提高测量速度,同时保持较高的测量精度,减少点云中的运动波纹。
三维测量 循环反向编码 二值条纹 边缘定位 光学学报
2023, 43(23): 2312004
1 南京信息工程大学自动化学院,江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044
二值条纹投影技术能够避免三维测量系统中非线性影响,降低测量误差,为了优化二值条纹正弦质量,提高测量精度,提出了一种二值编码结合误差扩散的三维测量方法。以单周期正弦条纹特定方式采样点作为二值编码对象,在时间域上对采样点进行等区间划分,使用误差扩散算法对各区间对应的灰度区域进行处理生成相应的二值图像,在投影仪聚焦投影状态下代替传统正弦条纹获取较高质量的相位信息。在此基础上,采用“S”形路径扫描改善了条纹正弦性。实验结果表明,所提方法生成的正弦条纹相比传统四步相移算法,能够有效提高测量精度,具有良好的正弦性。对比实验证实,所提算法优化后相位误差减少24.19%,正弦条纹质量进一步得到提升。
三维测量 二值编码 误差扩散 相移技术 光学学报
2023, 43(22): 2212001
1 河北工业大学 机械工程学院,天津 300130
2 赫德斯菲尔德大学 精密技术中心,赫德斯菲尔德 HD13DH
数字条纹投影技术由于其非接触、测量精度高等特点在生物医学监测、虚拟现实以及计算机视觉等领域中应用越来越广泛。但其仍存在一定局限性,例如测量深度范围受限和投影仪存在非线性误差。二值离焦技术很好地克服了条纹投影三维测量中的非线性问题,但二值图像的高次谐波分量会造成测量误差。文中提出一种基于抖动算法的多频相位选择方法,该方法利用离焦抖动技术减少二值图像的高次谐波,避免投影仪非线性误差的影响;同时采用不同抖动算法及扫描方向调制得到二值图像,通过对比周期为12~60 pixel范围内的条纹图像在25个离焦程度下的展开相位误差分布,筛选出相应图像频率的离焦选择范围,最终确定不同离焦程度下条纹频率的最优选择。对于深度为22.5 cm被测物体进行了实验,正确恢复了大深度物体的三维形貌。实验结果表明:文中所提出的方法能有效地扩展测量深度范围,从而实现大深度范围被测物体的三维形貌测量。
三维测量 条纹投影 离焦 抖动 相移法 three-dimensional measurement fringe projection defocusing dithering phase shift 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230059